Stress et toxicité des métaux dans les bactéries photosynthétiques : étude multi-échelle de l'effet et de la cible des ions métalliques et des nanoparticules

Stress and toxicity of metal in photosynthetic bacteria : multi-scale study of the effects and the targets of metal ions and nanoparticles

• Auteur / Autrice : Reem Tambosi
• Direction : Soufian Ouchane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Bayan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Jacob-Dubuisson, Francesca Zito, Alexandra Fragola, Corinne Cassier-Chauvat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Jacob-Dubuisson, Francesca Zito
• DOI : 10.70675/962fad51zb46fz4a03zb4d3z85fa276d89db

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries phototrophes

Effets du stress

Métaux -- Toxicologie

Argent

Ions cuivre

Interactions nanoparticule-bactérie

Mots clés libres

Stress métallique

Cuivre et argent

Métabolisme

Nanoparticules

Toxicité

AFM et SEM

Metallic stress

Copper and Silver

Metabolism

Nanoparticles

Toxicity

AFM and SEM

Résumé

L’usage intensif des métaux et des ions métalliques dans l'industrie et l'agriculture représente une menace sérieuse pour l'environnement et pour tous les êtres vivants en raison de la toxicité aiguë de ces ions. Cependant, cela peut aussi être un outil prometteur. En effet, les ions comme les nanoparticules d'argent sont très utilisés dans diverses applications médicales, industrielles et sanitaires. L'effet antimicrobien de ces nanoparticules est en partie lié aux ions Ag⁺ libérés et à leur capacité à interagir avec les membranes bactériennes. L'objectif de ce projet est d'étudier l'interaction entre un objet biologique (les bactéries) et des objets physiques (métaux), pour comprendre l'impact des métaux sous différentes formes (ions, nanoparticules et nanostructures) sur les cellules bactériennes en utilisant différentes approches: de physiologie, biochimie, génétique et de biologie cellulaire. Nous avons utilisé comme modèles biologiques, principalement la bactérie photosynthétique pourpre Rubrivivax (R.) gelatinosus, mais aussi Escherichia coli; et pour les objets physiques, nous avons utilisé l'argent comme métal principal mais aussi d'autres métaux (cuivre, cadmium et nickel) à titre de comparaison. Les principaux objectifs de ce travail sont: 1- d'étudier l'impact et les mécanismes de toxicité de ces ions métalliques / NPs sur les métabolismes bactériens respiratoire et photosynthétique. 2- Identifier des gènes bactériens impliqués dans la réponse à un excès d'ions Ag⁺. 3- Etudier l'internalisation et l'interaction des ions métalliques et des NP au sein des membranes biologiques. Ainsi, nous avons pu identifier, à la fois in vitro et in vivo, des cibles spécifiques d'ions Ag⁺ et Cu²⁺ dans la membrane des bactéries. Cela inclut des complexes impliqués dans la photosynthèse, mais également des complexes de la chaine respiratoire. Il a été démontré que les ions Ag⁺ et Cu²⁺ ciblent spécifiquement une bactériochlorophylle exposée au solvant dans les antennes de collecte de lumière du photosystème de la bactérie. Ceci présente également, à notre connaissance, la première preuve directe de dommages induits par des ions Ag⁺ sur les protéines membranaires impliquées dans ces métabolismes. Par ailleurs, nous avons également réalisé une étude comparative par microscopie (AFM/ MEB) de l'effet de l'Ag⁺ en solution ou des Ag-NPs synthétisés dans notre laboratoire, sur la morphologie des cellules bactériennes.

The extensive use of metal ions in industry and agriculture represents a serious threat to the environment and to all living being because of the acute toxicity of these ions. However, it can also be a promising tool, silver ions and nanoparticles are some of the most widely used metals in various industrial and health applications. The antimicrobial effect of these nanoparticles is in part related to the released Ag⁺ ions and their ability to interact with bacterial membranes. The goal of this project is to study the interaction between biological subject (the bacteria) and physical objects (metals), and more specifically to understand the impact of metals in different forms (ions, nanoparticles and nanostructures) on the growth of the bacterial cells using different approaches : physiology, biochemistry, genetics and cell biology. We used as biological models, principally the purple photosynthetic bacterium Rubrivivax (R.) gelatinosus, but also Escherichia coli; and for physical objects, we used silver as main metal but also other metals (copper, cadmium and nickel) for comparison. The main objectives are: 1- to study the impact and the mechanisms of toxicity of these metallic ions/NPs on the bacterial respiratory and photosynthesis metabolisms. 2- To identify the bacterial genes involved in response to excess silver. 3- To study the internalization and interaction of metals ions and NPs within biological membranes. The results showed that we were able to identify, both in vitro and in vivo, specific targets of Ag⁺ and Cu²⁺ ions within the membrane of bacteria. This include complexes involved in photosynthesis, but also complexes involved in respiration. Ag⁺ and Cu²⁺ were shown to specificaly target a solvent exposed bacteriochlorophyll in the light harvesting antennae of the photosystem. This also presents, in our knowledge, the first direct evidence of silver ions damages to membrane proteins involved in these metabolisms. We also carried out a microscopy (AFM/ SEM) comparative study of the effect of Ag⁺ ions or Ag-NPs synthesized in our laboratory, on the bacterial cell morphology.